Odpowiedni dobór czujnika ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania systemu czujników położenia.
Znaczna część urządzeń przemysłowych jest używana w strefach niebezpiecznych lub w zastosowaniach, które wymagają oceny bezpieczeństwa funkcjonalnego. Strefy niebezpieczne obejmują miejsca, w których istnieje ryzyko narażenia na działanie substancji niebezpiecznych, a nawet wybuchowych. W takich okolicznościach zapewnienie ciągłości działania może się okazać wyzwaniem. Dlatego tak ważne jest, aby części składowe takich urządzeń były odpowiednio skonstruowane i przystosowane do funkcjonowania w tego typu, bezkompromisowych środowiskach.
Aplikacje bezpieczeństwa funkcjonalnego to takie, w których należy zapewnić bezpieczne działanie ze względu na ryzyko uszkodzenia sprzętu lub obrażeń ciała. Czujniki położenia liniowego są szeroko stosowane we wszystkich rodzajach systemów przemysłowych. W wielu przypadkach należy brać pod uwagę możliwość wystąpienia niebezpiecznych zdarzeń, gdyż w przeciwnym razie konsekwencje mogą być poważne, jak na przykład uszkodzenie drogiego sprzętu lub nawet zagrożenie zdrowia i życia. W strefach niebezpiecznych obecność łatwopalnego gazu, oparów, cieczy lub pyłu może stanowić poważne zagrożenie w związku z działaniem urządzeń elektrycznych, ponieważ istnieje prawdopodobieństwo, że urządzenie może zapalić się od łatwopalnej substancji. W przypadku urządzeń wykorzystujących technologię czujników położenia urządzenie (lub urządzenia) będące ich częścią składową powinny mieć odpowiednie cechy umożliwiające rozwiązanie tych problemów. Przed przeprowadzeniem dogłębnej analizy należy wyjaśnić, czy urządzenia klasy „danger-area” są przeznaczone do pracy w środowisku potencjalnie wybuchowym, natomiast produkty bezpieczeństwa funkcjonalnego są przeznaczone do zastosowań, w których istnieje zagrożenie dla sprzętu lub ludzi. Te dwa parametry nie muszą być ze sobą powiązane. Dana aplikacja może wymagać klasyfikacji w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego lub obszaru niebezpiecznego, ale nie musi wymagać obu z nich.
Określenie strefy niebezpiecznej
Istnieje wiele rodzajów obszarów niebezpiecznych. Do najczęściej spotykanych należą platformy wiertnicze, zakłady gazownicze, zakłady chemiczne/farmaceutyczne, oczyszczalnie ścieków, pralnie chemiczne, a także miejsca, w których przetwarzane/produkowane są chemikalia przemysłowe, przechowywane są proszki (takie jak magnez i aluminium) lub wytwarzane są produkty aktywne chemicznie (takie jak nawozy). Dla każdego urządzenia elektrycznego, które będzie znajdowało się w otoczeniu potencjalnie niebezpiecznym lub wybuchowym, wymagana jest zgodność z rygorystycznymi normami przemysłowymi. Najbardziej znane z tych norm to IECEx Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej, ATEX Unii Europejskiej (opisany w dyrektywach 99/92/EC i 94/9/EC) oraz NFPA 70: National Electrical Code (NEC) stosowany w Stanach Zjednoczonych. W przypadku urządzeń stosowanych w Ameryce Północnej testy powinny być przeprowadzane przez uznane w kraju laboratorium badawcze i należy przestrzegać warunków etykietowania. Oznaczenia są podzielone na klasy i działy, aby określić rodzaj zagrożenia. Mogą one obejmować zakres od mało prawdopodobnej obecności substancji wybuchowej aż do ciągłej obecności. Aby uzyskać wymagany stopień dopuszczenia, stosuje się różne metody ochrony. Zależą one od rodzaju, stanu i charakteru środowiska, w którym występują.
IEC 61508 bezpieczeństwo funkcjonalne
Koncepcja bezpieczeństwa funkcjonalnego polega na tym, że po wykryciu potencjalnie niebezpiecznej sytuacji można podjąć środki w celu zapobieżenia wystąpieniu niebezpiecznego zdarzenia lub zapewnienia, że jeśli ono wystąpi, jego skutki zostaną złagodzone do akceptowalnego stopnia, tak aby nie zagrażać dobru pracowników i nie powodować uszkodzeń wartościowych elementów wyposażenia. Norma IEC 61508 to standard służący do oceny tego, czy funkcja bezpieczeństwa działa na wymaganym poziomie, włączając w to tryby awaryjne. Przestrzeganie normy IEC 61508 pozwala na obniżenie ryzyka wystąpienia awarii dla danego zagrożenia poprzez funkcje bezpieczeństwa, które umożliwiają jego wykrycie. Dodatkowo pozwala na ocenę prawdopodobieństwa wystąpienia awarii. Urządzenia są kategoryzowane zgodnie z określonym poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL), który odnosi się do prawdopodobieństwa wystąpienia awarii. Urządzenie o poziomie SIL 1 charakteryzuje się prawdopodobieństwem wystąpienia awarii pomiędzy 0,01 a 0,1 w przypadku pracy przy niskim zapotrzebowaniu na energię, co przekłada się na prawdopodobieństwo awarii niższe niż 0,00001/godzinę w przypadku pracy przy wysokim zapotrzebowaniu. Urządzenie o klasie SIL 2 charakteryzuje się prawdopodobieństwem wystąpienia awarii pomiędzy 0,001 a 0,01 dla pracy przy niskim zapotrzebowaniu, co przekłada się na prawdopodobieństwo wystąpienia awarii w granicach 0,000001/godzinę dla pracy przy wysokim zapotrzebowaniu. Awarie klasyfikuje się jako bezpieczne lub niebezpieczne i mogą być wykryte lub niewykryte. Udział bezpiecznych awarii określa stosunek liczby awarii, które są bezpieczne lub wykrywalne, do całkowitej liczby awarii. Na tej podstawie można określić prawdopodobieństwo wystąpienia niebezpiecznych, niewykrywalnych awarii. Nawet w najlepszym przypadku awaria sprzętu i/lub oprzyrządowania prowadzi do przestojów operacyjnych. Spowoduje to obniżenie produktywności i pociągnie za sobą koszty napraw i wymiany części składowych. Dzięki bezpieczeństwu funkcjonalnemu możliwe jest ilościowe określenie prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznego zdarzenia oraz jego konsekwencji. Podczas opracowywania systemów przemysłowych, które będą znajdować się w strefach niebezpiecznych, inżynierowie muszą uwzględnić w swoim procesie myślowym aspekty bezpieczeństwa funkcjonalnego. Nie można tego zostawić na ostatnią chwilę; powinno to być kluczowym czynnikiem branym pod uwagę w całym cyklu rozwoju.
Najważniejsze metody ochrony
Istnieje szeroki wachlarz metod, które można zastosować w celu złagodzenia wpływu niebezpiecznego środowiska na urządzenie. Ekranowanie to jeden z podstawowych środków ochrony urządzeń. Projekt systemu powinien również uwzględniać potrzebę rozmieszczania delikatnych komponentów z dala od miejsc, w których warunki są najbardziej niebezpieczne. Nie bez znaczenia jest również redundancja systemu, tak aby w razie awarii istniała możliwość utrzymania wymaganej funkcji. W przypadku stałego zagrożenia substancjami wybuchowymi konieczne może się okazać umieszczenie urządzeń elektronicznych/elektrycznych w obudowie przeciwwybuchowej. Dzięki temu możliwe jest powstrzymanie wewnętrznego zapłonu i tym samym uniknięcie zagrożenia dla otoczenia.
Czujniki położenia w strefach zagrożonych wybuchem
Urządzenia pomiarowe są stosowane w wielu aplikacjach w celu dostarczenia informacji zwrotnej o położeniu. Często muszą one działać w niebezpiecznych warunkach. Za przykład mogą posłużyć turbiny gazowe/parowe znajdujące się w elektrowniach, aparatura wiertnicza, prasy do stali/drewna, sprzęt w magazynach paliw oraz platformy wiertnicze, ale lista ta jest znacznie dłuższa. Do pomiaru pozycji w takich warunkach można wykorzystać wiele różnych mechanizmów pomiarowych. Wśród nich są:
1. Potencjometry: Działają one jako dzielniki napięcia, a pomiar położenia jest dokonywany za pomocą sygnału napięciowego, który jest proporcjonalny do punktu, w którym znajduje się element przewodzący na liniowym elemencie przetwornika. Metoda ta była bardzo popularna w przeszłości, ale ma braki, które stają się coraz bardziej widoczne w nowoczesnych implementacjach. Najbardziej znaczącym z nich jest to, że potencjometry są podatne na mechaniczne zużycie. Wynika to z fizycznego kontaktu pomiędzy przetwornikiem a przewodnikiem.
2. Enkodery: Wykorzystują głowicę czytnika do skanowania oznaczonej skali i tym samym wskazują inkrementalne zmiany położenia. Długotrwała praca tego rodzaju mechanizmu jest narażona na awarie z powodu obecności wibracji i wysokich temperatur. Ponadto olej, smar i inne substancje często występujące w środowisku przemysłu ciężkiego oznaczają, że będą one wymagały regularnego czyszczenia i konserwacji (co zwiększa koszty eksploatacji).
3. Urządzenia LVDT (Linear variable differential transformer): Opierają się na ruchu rdzenia ferromagnetycznego, który zmienia sprzężenie magnetyczne pomiędzy cewkami pierwotnymi i wtórnymi. Dzięki wysokiej temperaturze znamionowej urządzenia te znalazły dość szerokie zastosowanie w obszarach niebezpiecznych. Jednakże wykazują one wewnętrznie słabą liniowość. Ponadto wymagają okresowej kalibracji.
4. Magnetostrykcyjne czujniki liniowe: Wykorzystując zasady magnetostrykcji, gdzie pole magnetyczne może zmienić właściwości fizyczne materiału ferromagnetycznego, czujniki magnetostrykcyjne okazały się bardzo skuteczne w dostarczaniu dokładnego pomiaru położenia w niebezpiecznych aplikacjach. Ponieważ urządzenia te podają bezwzględną, a nie względną wartość położenia, eliminują potrzebę ponownej kalibracji. Ponadto, jako że nie wymagają one głowic czytników, czas i koszty związane z czyszczeniem i konserwacją mogą zostać pominięte. Warto również wspomnieć, że są one znacznie bardziej odporne na wstrząsy i wibracje, a także dużo odporniejsze na zakłócenia elektromagnetyczne niż inne opcje pomiarowe. Wreszcie (i co najważniejsze w tym kontekście) stosunkowo łatwo jest zintegrować z tymi urządzeniami mechanizmy bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Magnetostrykcja i detekcja magnetostrykcyjna
Kiedy materiał ferromagnetyczny jest umieszczony w polu magnetycznym, dochodzi do mikroskopijnych zmian w jego strukturze. W wyniku tego jego wymiary ulegają zmianie – zjawisko znane jest jako magnetostrykcja. Wielkość zmiany wymiarów jest bezpośrednio skorelowana z siłą przyłożonego pola magnetycznego. Zjawisko to zapewnia wysoce efektywną i bezkontaktową metodę wykrywania położenia. Ponieważ w czujnikach magnetostrykcyjnych nie występują części ruchome, oferują one wysoką niezawodność i wydłużony okres eksploatacji. Rosnąca potrzeba zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonalnego w niebezpiecznych aplikacjach powoduje ciągłą migrację od tradycyjnych czujników położenia LVDT w kierunku bardziej wyrafinowanego podejścia, opartego na magnetostrykcji. Oprócz wad w zakresie wydajności i trwałości eksploatacyjnej, LVDT i inne czujniki położenia wymienione powyżej nie są w stanie zaoferować takiego samego stopnia bezpieczeństwa funkcjonalnego jak urządzenia magnetostrykcyjne. Właściwy wybór czujnika ma kluczowe znaczenie dla wdrożenia systemu pozycjonowania. Istnieje wiele różnych czynników, które należy rozważyć przy doborze urządzenia. Zdecydowanie warto nawiązać współpracę z producentem czujników, który oferuje kompleksowe portfolio czujników i doskonale rozumie kwestie bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Matt Hankinson, mieszkający w Cary, N.C., jest kierownikiem ds. globalnego wywiadu biznesowego w firmie MTS Sensors.
